Kvantemekanisk frekvensfilter til atomure – Niels Bohr Institutet - Københavns Universitet

Videresend til en ven Resize Print Bookmark and Share

Niels Bohr Institutet > Nyheder > Nyheder 2015 > Kvantemekanisk frekven...

09. marts 2015

Kvantemekanisk frekvensfilter til atomure

Atomure

Atomure er de mest præcise ure i verden. I et atomur er det elektronernes spring fra én bane til en anden, der afgør urets tæller. For at få elektronerne til at springe, lyser forskerne på atomet med stabiliseret laserlys. Laserlyset skal dog have en meget præcis frekvens for at udløse meget præcise elektronspring, og det er et problem at få laserlysets frekvens ultrapræcis – der vil altid være en anelse ’støj’. Nu har forskere fra Niels Bohr Institutet udviklet en metode, der reducerer støjen, så den bliver op til 100 gange mere støjfri. Resultaterne er publiceret i det videnskabelige magasin, Physical Review Letters.

Lektor og leder af forskningsgruppen, Ultrakolde Atomer på Niels Bohr Institutet, Jan Thomsen, og ph.d.-studerende Bjarke Røjle Christensen har arbejdet med eksperimenterne til et kvantemekanisk frekvensfilter til atomure.

Atomerne i atomuret består af gassen strontium, der holdes i et vakuumkammer. Ved hjælp af magnetfelter og præcise stråler af laserlys (blåt lys) køles atomerne ned til tæt på det absolutte nulpunkt, minus 273 grader Celsius, hvorved de fastholdes.

Elektronerne ligger i bestemte baner rundt om atomkernen, og hver bane har ét energiniveau. Ved nu at lyse på strontium-atomerne med laserlys (rødt lys), får elektronerne højere energi og springer fra én bane til den næste, men de hopper straks tilbage til deres normale bane. Når man lyser på strontium-atomerne, springer elektronerne hele tiden frem og tilbage, og det udgør pendulet i atomuret.

Et atomur er i dag så præcist, at det kun mister ét sekund per 300 millioner år, men man arbejder på at gøre det endnu mere præcist, og det har store perspektiver, blandt andet til navigation og rumbaseret optisk teknologi til udforskning af universet. Problemet i at gøre det mere præcist ligger i at styre laserstrålen, så lyset lige præcist har dén bølgelængde, der rammer atomernes elektroner og får dem til at svinge meget præcist og meget nøjagtigt.

Ved hjælp af magnetfelter og præcise stråler af laserlys (blåt lys) køles atomerne ned til tæt på det absolutte nulpunkt, minus 273 grader Celsius, hvorved de fastholdes.

Løser støjproblemer

”Selve laserlyset er stabiliseret, men det svinger en smule og det giver ’støj’, idet der er flere bølgelængder samtidigt. Vi sender derfor lyset via et spejl til en ’resonator’, som er to spejle, der er sat sammen, så den udvælger nogle bølger til at passere, mens resten forsvinder. Det er altså en sorteringsmekanisme, så laserlysets bølgelængder bliver mere entydige. Så burde alle være glade, men spejlene står og fluktuerer lidt – simpelthen fordi spejlets atomer vibrerer, og det giver nogle begrænsninger i nøjagtigheden, som vi ikke kunne komme af med. Så sagde vi – hvorfor prøver vi ikke at ændre tankegangen og vende det hele på hovedet”, fortæller Jan Thomsen, lektor og leder af forskningsgruppen, Ultrakolde Atomer på Niels Bohr Institutet ved Københavns Universitet.

Og det gjorde de så – vendte det hele på hovedet. I stedet for at prøve at stabilisere spejlene yderligere, besluttede de at se helt bort fra vibrationerne. De besluttede at putte ’noget’ ind mellem laserlyset og resonatorens to spejle. Dette ’noget’ skulle fungere som et filter.

Ph.d.-studerende Bjarke Røjle Christensen i det kvanteoptiske laboratorium på Niels Bohr Institutet.

Filteret bestod af et vakuumkammer med ultrakolde strontium-atomer mellem de to spejle. Strontium er meget ’kræsne’ atomer, der skal have en meget præcis bølgelængde for at reagere med lyset. Lyset sendes nu frem og tilbage mellem de to spejle, og selv om de to spejle står og vibrerer lidt på grund af temperaturen i lokalet, er lyset ligeglad, for der er koldt for signalet, og det er de kolde atomer, som primært sorterer bølgelængderne

”Metoden er simpel, men effektiv, og resultatet er, at laserstrålen er meget mere præcis og stabil end før, og støjen er reduceret med op til 100 gange. Vi har altså udviklet en teknik, der via et kvantemekanisk frekvensfilter vil kunne skabe en ultrapræcis laserstråle”, fortæller Jan Thomsen.

Laserlyset sendes via et spejl til en ’resonator’, som er to spejle, der er sat sammen, så den udvælger nogle bølger til at passere, mens resten forsvinder. Mellem de to spejle er der sat et filter, som består af et vakuumkammer med ultrakolde strontium-atomer. Lyset sendes nu frem og tilbage mellem de to spejle, og de kolde atomer sorterer bølgelængderne. Resultatet er, at laserstrålen er meget mere præcis og stabil end før, og støjen er reduceret med op til 100 gange. (Credit: Bjarke Takashi Røjle Christensen, Niels Bohr Institutet)

Artikel i Physical Review Letters >>

Jan W. Thomsen, lektor og leder af forskningsgruppen, Ultrakolde Atomer på Niels Bohr Institutet ved Københavns Universitet, +45 5168-0410, jwt@fys.ku.dk

Bjarke Takashi Røjle Christensen, ph.d.-studerende, Ultrakolde Atomer på Niels Bohr Institutet ved Københavns Universitet, +45 2682-9051, bjarkesan@nbi.ku.dk